При изучении поверхностного эффекта землетрясения оконтуривают зоны одинаковой балльности. Разграничивающие их линии называются изосейстами. По скорости спада интенсивности с расстоянием можно оценить глубину очага. Соотношение между макс. интенсивностью землетрясения (Io) и его магнитудой зависит от глубины очага h и в среднем для континентальных зон может быть представлено соотношением:
Io=1,5M-3,51gh+3,0.
При заданных площади, сроке наблюдений и диапазоне магнитуд число землетрясений является показательной функцией магнитуды, график которой в логарифмическом масштабе известен как график повторяемости и иногда используется для сопоставления уровня сейсмичности разломных зон. Модель реального сейсмического процесса должна учитывать элементы как случайности, так и периодичности, что иногда наблюдается в некоторых районах. Например, для Курило-Камчатской и соседних островных дуг известно, что усиление сейсмичности происходит каждые 5,5 лет в каждом из блоков всей цепи островных дуг. Наиболее интересную форму эти представления получили в виде теории сейсмических брешей, предложенной для Тихоокеанского сейсмического кольца. Те места, где в ХХ в. не отмечались сильные землетрясения, рассматриваются как наиболее вероятные для возникновения сильных землетрясений в ближайшее время.
Сейсмический процесс характеризуется также группированием землетрясений. Частными случаями группирования являются: рой землетрясений; главное землетрясение с последующими толчками (афтершоками); главное землетрясение с предшествующими толчками (форшоками). Рой землетрясений - это группа (иногда очень многочисленная) мелкофокусных толчков, частота и магнитуда которых в течение определенного срока слабо меняются со временем. Самые сильные толчки распределены внутри роя случайным образом. Афтершоками, число которых может быть очень велико, сопровождаются, как правило, все более или менее сильные землетрясения. Сильнейшие афтершоки могут сопровождаться своими вторичными сериями последующих толчков. Магнитуда сильнейшего афтершока статистически на 1,2 меньше магнитуды основного толчка. Число последующих толчков быстро убывает с глубиной очага землетрясения (глубокофокусные землетрясения афтершоками практически не сопровождаются). В ограниченных зонах перед сильными землетрясениями возникают предваряющие толчки - форшоки. Их появление на фоне длительного “сейсмического молчания” позволяет своевременно предпринять меры предосторожности.
Для регистрации и изучения землетрясений во многих странах существует сеть станций непрерывного слежения за сейсмическим состоянием Земли (или, как мы теперь называем, станций сейсмического мониторинга и прогнозирования). На станциях размещаются высокоточные приборы - сейсмографы, регистрирующие малейшие колебания земной поверхности, а также комплекс прогностических методов для предсказания землетрясений с помощью различных его “предвестников”.
Сейсмограф - это очень древний прибор (из геофизической аппаратуры древнее его только компас). Первый сейсмограф был изготовлен в Китае во II веке нашей эры. Несколько остроумных конструкций было предложено в Западной Европе в XVIII и в начале XIX в., но действительно эффективные записывающие приборы были изобретены только 50-100 лет назад, а в последние десятилетия они были значительно усовершенствованы.
Сейсмограф представляет собой колебательную систему, предназначенную для измерения и записи сейсмических движений. Колеблющийся элемент должен быть прочно прикреплен к твердому основанию, так чтобы он двигался вместе с грунтом. Обычно этот элемент демпфируется, т.е. амплитуда его колебаний ограничивается и гасится.
Конструкции разных сейсмографов в значительной степени различаются. В одних используется горизонтально подвешенный маятник, в других - обратный маятник, установленный на пружинках вертикально. Период собственных колебаний маятника зависит от его массы, демпфированности, чувствительности подвески и эти параметры могут меняться в широких пределах. Это используется на сейсмостанциях, так как одним и тем же сейсмографом невозможно записать легкий промышленный “сейсмический шум” и сильное землетрясение, при котором очень чувствительный и слабо демпфированный сейсмограф просто “зашкалит”.
В записывающем устройстве используются механические, оптические, электромагнитные элементы или их комбинации. Их назначение - передать колебания на бумагу самописца, на магнитную ленту или на магнитный диск компьютера. Амплитуда так называемого “промышленного шума” во много раз ниже, чем амплитуда даже самого слабого землетрясения. Поэтому появление первых же толчков - форшоков хорошо заметно на самописце или на дисплее компьютера. Достаточно большое усиление сейсмографов позволяет “разогнать” амплитуду колебаний грунта до визуально заметных величин. Обычная величина усиления в сейсмическом регистрационном канале - десятки-сотни тысяч раз по сравнению с реальной амплитудой колебаний грунта. Хотя возможности увеличения превышают величину 4-5 млн. раз, но “промышленный шум” накладывает ограничение на повышение усиления.
Очень важна точная, до долей секунды, регистрация времени; поэтому на сейсмограммах записываются также сигналы времени, передаваемые по радиоканалу из метрологических обсерваторий (Палат точного времени).
В последние годы аппаратура существенно усовершенствовалась в связи с появлением лазерной техники и мощнейших компьютерных комплексов. В областях активной сейсмичности часто устанавливаются лазерные дальномеры на противоположных сторонах крупных разломных зон. Это делается для того, чтобы обнаружить малейший крип или подвижку склонов. Сейсмографы часто группируются, и создаются региональные сети стандартизованных сейсмографов, таких, как созданная под эгидой США и Канады Всемирная сеть стандартных сейсмографов (WWSSN). В шт. Калифорния, подверженном частым землетрясениям, имеется собственная сеть сейсмографов.
Сейсмические морские волны - цунами, иногда ошибочно называемые “приливными” волнами, часто сопровождают крупные землетрясения, происходящие в районах морского или океанического побережья. Они возникают тогда, когда энергия землетрясения передается как морскому дну, так и воде. Волны цунами характеризуются высокой скоростью и большой длиной, однако в открытом море их высота не бывает больше первых метров. С корабля в море редко можно заметить прохождение таких волн. Однако, когда эти волны выходят на мелководье, они могут стать весьма разрушительными. Высота каждой волны достигает там многих метров, потому что длина волны уменьшается из-за близости дна, как и в случае обычных волн. Соответственно энергия воды, имевшей большую глубину, концентрируется в коротком вертикальном интервале.
Цунами много раз приносили опустошение прибрежным районам. После Лиссабонского землетрясения 1755 г. высокие волны сначала осушили бухту, потом выплеснулись на берег примерно на километр, а потом смыли в море корабли, дома, мосты и людей, т.е. все, что попадалось на их пути. Цунами, возникшее в районе Алеутских островов, уничтожило 1 апреля 1946 г. маяк на мысе Датч (Аляска), расположенный на 15 м выше уровня моря. Волна проделала путь 3800 км к Гавайским островам со средней скоростью 780 км/ч. В открытом море волны имели длину 150 км. У берега их высота достигала 3-6 м. В узких заливах она вздыбливалась до отметок 10-15 м над уровнем моря. Преобразившись в движущиеся стены воды, эти волны нанесли тяжелые повреждения домам, шоссейным и железным дорогам, мостам, пристаням, волнорезам, судам и были причиной гибели 160 человек. Общий материальный ущерб на Гавайях оценивался в 25 млн. долларов (в ценах 1946 г.). Волна достигла и берегов Калифорнии, где ее высота составляла до 4 м. После этой трагедии была организована Международная система предупреждения о движении волн цунами, с тем, чтобы сообщать в населенные пункты о грозящей им опасности.
Гигантские морские волны, возникшие у побережья Чили во время землетрясения 1960 г., достигли Гавайев, пройдя 11000 км приблизительно за 15 часов (скорость - 730 км/час). Мореограф в Хило на Гавайских островах попеременно отмечал подъем и падение уровня воды, происходившее примерно с 30-минутным интервалом. Несмотря на предупреждение, эти волны в Хило и других местах Гавайских островов стали причиной гибели 60 человек и нанесли ущерб в 75 млн. долларов. Еще через 8 ч волны достигли Японии, в очередной раз разрушив там портовые сооружения; при этом погибли 180 человек. Жертвы и разрушения имелись также на Филиппинах, в Нов. Зеландии и в других частях Тихоокеанского кольца.
Рассмотрим меры защиты от землетрясений.
Когда в густонаселенной местности происходит сильный подземный толчок, многие здания получают повреждения или разваливаются. Главная причина этого - низкое качество построек. Разрушительное воздействие землетрясений связано с неустойчивостью грунта, с использованием сырцового кирпича или непрочной каменной кладки, что приводит к падению крыш и печных труб, растрескиванию фундаментов и стен.
Потенциально опасны тяжелые выступающие части домов, стенки парапетов и ненужные лепные украшения. Старая известка, незакрепленная кровля и стропила, лишенные элементов жесткости лифтовые шахты и каркасы, неукрепленные лестничные колодцы и общие стены смежных домов разного размера - все это также представляет опасность. При дифференцированных движениях рвутся подземные трубопроводы всех видов.
Чтобы свести к минимуму возможные повреждения, строители должны учитывать все геологические факторы, определяющие устойчивость здания. Скальные породы - идеальное основание для крупных сооружений. Следует избегать строительства на слабых грунтах, крутых склонах, насыпных землях. Нежелательно также возводить здания на морских утесах, на обрывистых берегах рек, вблизи глубоких котлованов и на участках с высоким уровнем грунтовых вод в рыхлых осадочных породах.